航天器电源系统建模与仿真

本书概述了航天器电源系统的组成和仿真需求，梳理了常用建模方法、建模语言和仿真工具的发展现状，给出了利用Modelica语言开展航天器电源系统建模的相关技术基础，系统介绍了航天器电源系统拓扑、关键单机的工作原理，提出了航天器电源系统层次化模型表征和构建方法，总结了电源系统能量平衡、接地分析等多要素仿真验证和能源流“数字伴飞”研究成果，并结合工程实践给出了仿真实例，使读者能够了解航天工程一线的知识沉淀，对读者的学习、工作产生启发。

本书立足于航天器电源系统总体设计、分析和仿真验证，可作为高等院校宇航相关专业学生的教学参考书，也可供从事宇航工程、航天器总体设计及有关专业的科技人员参考。

刘治钢,博士，研究员，现任职于北京空间飞行器总体设计部。中国电工技术学会无线电能传输专业委员会委员、中国宇航学会第一届空间太阳能电站专业委员会委员，主要从事航天器供配电系统设计、复杂航天器电源系统建模与仿真、空间能源技术发展规划等工作。曾先后参加“嫦娥五号”“天问一号”供配电分系统研制，主持完成10余项军民预先研究项目，参与出版专著3本，发表学术论文30余篇，授权国家发明专利20余项，获中国专利奖银奖1项。

本书立足于航天器电源系统总体设计、分析和仿真验证。

电源系统负责航天器上电能的供给、贮存、调节、分配和传输, 是航天器的“心脏” 和“血液”, 是决定航天器在轨安全可靠运行的生命线。如何确保“一次设计正确” 是复杂航天器电源系统研制面临的首要任务。传统的基于文档的设计方式已经不能满足当前航天器“任务重、周期短、质量要求高” 的研制需求,需要新一代信息技术与航天科研生产任务紧密融合, 构建以模型、数据为核心的航天工业新体系。Modelica 是一种开放、面向对象、基于方程的计算机语言, 归纳了机、电、液、控、热等各学科工程物理统一原理, 使得不同学科可以采用统一的数学表达和模型描述完成建模与仿真, 方便地实现复杂物理系统建模和仿真验证。全书共分为6 章, 内容分别为: 第1 章为绪论, 包括航天器电源系统简介、系统建模与仿真概述、航天器电源系统仿真需求、航天器电源系统仿真软件; 第

2 章为Modelica 语言建模与仿真基础, 包括Modelica 概述、模型要素、建模功能等; 第3 章为航天器电源系统建模基础, 包括太阳电池建模、蓄电池建模、电源控制装置建模、配电和负载; 第4 章为基于Modelica 的航天器电源系统建模, 包括模型构建规范及开发验证流程、航天器电源系统拓扑和关键单机建模; 第5 章为航天器电源系统层次化建模和多要素仿真, 包括航天器电源系统层次化模型表征和构建方法、能量平衡仿真、地回路仿真、“数字伴飞” 等多要素仿真验证;第6 章为航天器电源系统仿真实例, 包括低轨遥感卫星、火星车和“嫦娥五号”探测器电源系统仿真实例。

本书由刘治钢、杜青、李海津、石海平、穆浩、杨东、韩阅编著, 刘治钢、杜青负责全书统稿和审校工作。在具体章节内容方面, 第1 章由刘治钢撰写; 第2 章由杜青撰写; 第3、4 章太阳电池部分由韩阅撰写, 蓄电池部分由穆浩撰写,电源控制器部分由杨东撰写, MPPT 部分由石海平撰写, 配电及负载部分由李海

津撰写, 模型构建规范及开发验证流程由杜青撰写; 第5 章由刘治钢、杜青、穆浩撰写; 第6 章LEO 航天器电源系统仿真实例由李海津撰写, 火星车电源系统仿真实例由石海平撰写, “嫦娥五号” 电源系统仿真实例由杜青撰写。在本书编写过程中, 始终得到杨孟飞院士的悉心指导和帮助, 得到了中国空间技术研究院、北京空间飞行器总体设计部各级领导的关心和支持, 得到了苏州同元软控信息技术有限公司在Modelica 语言基础方面的支持和帮助。在此, 作者一并表示诚挚的谢意。由于本书内容涉及的知识较广, 作者水平有限, 本书难免会有一些疏漏和不足之处, 恳请广大读者和专家批评指正。

作　者

第1 章　绪论1

　1. 1　航天器电源系统简介1

　　1. 1. 1　太阳电池阵2

　　1. 1. 2　储能电池3

　　1. 1. 3　电源控制装置5

　　1. 1. 4　总体电路13

　1. 2　系统建模与仿真概述15

　　1. 2. 1　系统建模方法15

　　1. 2. 2　通用建模语言17

　1. 3　航天器电源系统仿真需求18

　1. 4　航天器电源系统仿真软件21

　　1. 4. 1　通用电路仿真软件22

　　1. 4. 2　专用的航天器电源系统仿真软件25

第2 章　Modelica 语言建模与仿真基础35

　2. 1　Modelica 概述35

　2. 2　模型要素37

　　2. 2. 1　变量37

　　2. 2. 2　方程与算法38

　　2. 2. 3　连接39

　　2. 2. 4　类与类型41

　2. 3　建模功能43

　　2. 3. 1　面向对象建模43

　　2. 3. 2　陈述式建模47

　　2. 3. 3　连续离散混合建模50

　　2. 3. 4　多领域统一建模53

　2. 4　方程55

　　2. 4. 1　声明方程55

　　2. 4. 2　变型方程55

　　2. 4. 3　等式方程56

　　2. 4. 4　for 方程57

　　2. 4. 5　连接方程58

　　2. 4. 6　条件方程59

　　2. 4. 7　其他方程64

　2. 5　算法64

　　2. 5. 1　赋值语句66

　　2. 5. 2　for 循环语句66

　　2. 5. 3　while 循环语句67

　　2. 5. 4　if 语句68

　　2. 5. 5　when 语句69

　　2. 5. 6　其他语句70

　2. 6　数组71

　　2. 6. 1　数组声明71

　　2. 6. 2　数组构造73

　　2. 6. 3　数组连接77

　　2. 6. 4　数组索引与切片79

　　2. 6. 5　数组运算81

　2. 7　函数84

2　　■ 航天器电源系统建模与仿真

　　2. 7. 1　函数定义85

　　2. 7. 2　函数调用87

　　2. 7. 3　内置函数90

　　2. 7. 4　记录构造函数93

　　2. 7. 5　函数向量化调用94

　　2. 7. 6　导函数95

　　2. 7. 7　外部函数96

　　2. 7. 8　外部对象102

　2. 8　模型初始条件104

　　2. 8. 1　设置初始条件105

　　2. 8. 2　确定初始条件个数106

第3 章　航天器电源系统建模基础107

　3. 1　太阳电池建模107

　　3. 1. 1　太阳电池建模基础107

　　3. 1. 2　硅太阳电池114

　　3. 1. 3　砷化镓太阳电池117

　　3. 1. 4　三结砷化镓太阳电池121

　　3. 1. 5　太阳电池阵122

　3. 2　蓄电池建模123

　　3. 2. 1　蓄电池建模基础123

　　3. 2. 2　镉镍/ 氢镍蓄电池模型128

　　3. 2. 3　锂离子电池模型129

　3. 3　电源控制装置建模132

　　3. 3. 1　分流调节器数学模型132

　　3. 3. 2　蓄电池充电调节器模型133

　　3. 3. 3　蓄电池放电控制器模型134

　　3. 3. 4　S3R 调节器电路模型135

　　3. 3. 5　S4R 调节器电路模型139

目　 录 ■　 　 3

　　3. 3. 6　MPPT 141

　3. 4　配电和负载146

　　3. 4. 1　开关模型146

　　3. 4. 2　SSPC/ LCL 模型149

　　3. 4. 3　典型负载模型154

第4 章　基于Modelica 的航天器电源系统建模157

　4. 1　模型构建规范及开发验证流程157

　　4. 1. 1　模型库构建规范157

　　4. 1. 2　模型库结构设计158

　　4. 1. 3　单机模型开发与验证159

　　4. 1. 4　模型的修正与评价160

　4. 2　太阳电池模型163

　　4. 2. 1　三结砷化镓太阳电池模型163

　　4. 2. 2　硅太阳电池168

　　4. 2. 3　砷化镓太阳电池169

　　4. 2. 4　太阳能电池阵模型169

　4. 3　蓄电池模型172

　　4. 3. 1　锂离子电池模型172

　　4. 3. 2　镉镍蓄电池模型176

　4. 4　电源控制装置179

　　4. 4. 1　MEA 和BEA 控制器179

　　4. 4. 2　S3R 分流调节器模型181

　　4. 4. 3　S4R 充电分流调节器模型183

　　4. 4. 4　BDR 模型186

　　4. 4. 5　BCR 模型187

　　4. 4. 6　MPPT 调节模块模型189

　4. 5　配电和负载模型192

　　4. 5. 1　二次电源DC/ DC 192

4　　■ 航天器电源系统建模与仿真

　　4. 5. 2　开关控制配电器193

　　4. 5. 3　固态功率控制器196

　　4. 5. 4　直供电配电器199

　　4. 5. 5　火工品配电器200

　　4. 5. 6　典型负载模型202

第5 章　航天器电源系统层次化建模和多要素仿真211

　5. 1　航天器电源系统层次化模型表征和构建方法211

　　5. 1. 1　“数字地图式” 层次化模型211

　　5. 1. 2　系统层模型213

　　5. 1. 3　设备层模型213

　　5. 1. 4　电路层模型214

　　5. 1. 5　层次化模型间的关系214

　　5. 1. 6　层次化模型的可视化215

　　5. 1. 7　层次化模型实例216

　5. 2　能量平衡仿真220

　　5. 2. 1　分析原则220

　　5. 2. 2　分析方法220

　　5. 2. 3　仿真实现223

　5. 3　地回路仿真224

　　5. 3. 1　仿真目的224

　　5. 3. 2　分析方法225

　　5. 3. 3　仿真实现227

　5. 4　故障仿真228

　　5. 4. 1　太阳电池阵故障228

　　5. 4. 2　蓄电池组故障229

　　5. 4. 3　电源控制装置故障229

　　5. 4. 4　配电开关与电缆故障229

　5. 5　状态评估与预测230

目　 录 ■　 　 5

　　5. 5. 1　蓄电池组SOC 估计230

　　5. 5. 2　蓄电池组SOH 估计与预测234

　5. 6　航天器电源系统“数字伴飞” 235

　　5. 6. 1　航天器数字伴飞的概念与功能235

　　5. 6. 2　航天器数字伴飞的基础237

　　5. 6. 3　数字伴飞模型237

　　5. 6. 4　模型修正238

　　5. 6. 5　在线估计与预测243

　　5. 6. 6　航天器能源流数字伴飞系统设计和应用实践246

第6 章　航天器电源系统仿真实例250

　6. 1　LEO 航天器电源系统仿真实例250

　　6. 1. 1　系统设计概况250

　　6. 1. 2　系统架构及各组件建模250

　　6. 1. 3　能量平衡分析256

　6. 2　火星车电源系统仿真实例260

　　6. 2. 1　系统设计概况261

　　6. 2. 2　环境模型建模262

　　6. 2. 3　太阳电池阵模型建模267

　　6. 2. 4　蓄电池模型建模272

　　6. 2. 5　电源控制建模273

　　6. 2. 6　能量平衡分析277

　6. 3　“嫦娥五号” 电源系统仿真实例282

　　6. 3. 1　系统设计概况282

　　6. 3. 2　上升器电源子系统架构及各组件建模283

　　6. 3. 3　能量平衡分析287

参考文献291

索引298